道。计算机模型模拟在脱盐通道中发起的流以及局部离子浓度和局部电场的分布。cr 氧化被假定为仅在阳极处产生的法拉第反应。基于具有固有并行性的数值化方案来研发模 型，允许在现代化高性能计算平台处（超级计算机）实现简单的实施方式。
[0168] 模型是基于描述水动力、质量/电荷输送和静电问题的方程。假设液体是不可压 缩的，可以通过纳维尔-斯托克斯方程来描述局部流动速度场（V)
[0170] 其中P和η是液体的质量密度和动态粘度，并且P是静水压力。Na+和Cl 1 勺浓 度的时空变化由平衡方程控制
[0173] 其中η是粒种浓度，D是体相流体中的扩散系数，Φ是局部电位；F、R和T分别表 示法拉第常数、摩尔气体常数和温度，V是流动速率，并且r是描述由于在阳极处的法拉第 反应而导致的Cl浓度的减小的电化学反应项。
[0174] 粒种的局部浓度与局部电位通过泊松方程相关联
[0176] 其中qe是兀电荷，ε。和ε j^是真空电容率和介电常数。我们假定，流体动力问题 (方程S-1)可以不与粒种输送问题（方程S-2和S-3)以及静电问题（方程S-4)相干；即， 流体的密度和粘度独立于离子强度。
[0177] 代替方程S-I的直接数值解，对低雷诺数流的模拟利用晶格玻尔兹曼方法（LBM) 来执行。在LBM中，解决了利用线性碰撞算子的玻尔兹曼方程的离散形式。该方法通过跟 踪局限于空间晶格并且在离散时间步骤期间以离散速度(^移动的虚拟颗粒的分布函数的 时间演变来模拟流体动力现象。颗粒分布函数A (r、t)表示在位置r和时间t找到具有速 度C1的颗粒的概率。每个时步被划分成独立的流和碰撞步骤。速率c i挑选为使得在一个 流步骤中颗粒沿着晶格链从一个晶格节点移动至其相邻的晶格节点。随后，根据离散碰撞 算子重新分布颗粒分布函数fi。局部流体密度P (r、t)和速度V (r、t)从颗粒分布函数的 一阶和二阶矩获得：
[0180] 在固液界面处，通过施加中途反弹规则来实施无滑动边界条件。通常，LBM模型被 指定为DxQy，其中X是晶格量纲并且y是指从给定的晶格节点到其位于简单立方晶格上的 相邻的晶格节点（包括该节点本身）的晶格链的数量。在该工作中，我们使用D3Q19晶格， 即，在每个晶格节点处具有18链的晶格，其可以通过使四维面心超立方晶格突出到三维空 间中来获得。应注意的是，我们还使用相同的D3Q19晶格用于传输方程（方程S-2和S-3) 和泊松方程（方程S-4)的数值解释。
[0181] 基于识别空间晶格的相邻节点之间的特种能量利用数值方法来解传输方程。相邻 节点之间的通量的对称表示确保严格的局部质量/电荷守恒。在该方法中，通量是将外场 与两种带电粒种浓度和流体流动速度联系起来的基本动态对象。为了解方程S-2和S-3,利 用下列边界条件：（i)对于两种带电粒种（Na+和Cl )而言，垂直于通道壁的通量为零；（ii) 垂直于阳极表面的Na+通量为零；和（iii)根据横跨该表面的给定的电流密度来确定垂直 于阳极表面的Cl的通量，jcl
[0183] 其中Ibpe为通过阳极的电流，并且Sbpe为BPE阳极与溶液的接触表面面积。
[0184] 通过适于D3Q19晶格的欠松弛有限差分法来解泊松方程（方程S-4)。具体地，为 了确定电位的更新的局部值，通过对其在相邻的晶格节点中的值进行计数，得到重量系数
[0186] 上式分别针对最近的和下一个最近的节点。0. 25的欠松弛系数被用来确保在靠近 BPE的区域中在电位的计算期间的数值稳定性。
[0187] 在该研究中，假设物理参数的下列值，执行模拟：P = 1.023X 103kg/m3, η = 0· 966mPa · s，T = 298. 16Κ，Dcl= 2· 032Χ 10 -9m2/s，DNa= I. 334Χ 10 -9m2/s，ε r= 78。通 过BPE的电流被假设为Ibpe= 50nA，并且与脱盐通道中的溶液相接触的阳极表面面积（Sbpe) 被假设为Sbpe= 82 μ mX 50 μ m(阳极宽度X长度）。阳极的电位被假设为0. 9V并且根据外 部施加的电压（3V)与氯化物氧化和水还原的标准电位（1.3V和0.8V)之和之间的差来确 定。在脱盐通道的进口贮存器中Cl和Na+的浓度被假设为3.3121 X 10 26个离子/立方米， 其对应于0. 55M的摩尔浓度。
[0188] MM.
[0189] 这些数值模拟与所建议的脱盐机构一致。模拟反映对应于实施例1的结果，图 IOB :假设Cl氧化在阳极处，50mS/cm NaCl溶液的脱盐。图14A示出在靠近阳极的感兴趣 区域中含盐量的模拟分布，通过其在脱盐通道进口中的值标准化。结果表明在脱盐出口处 含盐量减小20%。图14B示出跨阳极的电场梯度的模拟发展，其示出由于氯化物氧化而导 致的电场强度的明显增加。
[0190] 如本文中使用的术语"包括"及其变型被用作术语"包含"及其变型的同义词，并 且是开放的非限制性术语。虽然在本文中已经使用术语"包括"和"包含"来描述各实施方 案，但是术语"基本上由…组成"和"由…组成"可以用来代替"包括"和"包含"为本发明提 供更多特定实施方案并且也被公开。除非另外指出，表达在说明书和权利要求书中所使用 的几何形状、尺寸等的所有数目应被理解为最低限度，并且并不尝试限制对权利要求的范 围施加等同原则，按照有效数字的位数和一般舍入方法来解释。
[0191] 除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语都具有与本发明所属的领域的技 术人员通常所理解含义相同的含义。本文引用的出版物和引用它们的资料具体通过引用并 入。
【主权项】
1. 一种微流体装置，其包括 (a) 脱盐单元，其包括流体地连接到稀释出口通道和浓缩出口通道的进口通道，其中所 述稀释出口通道和所述浓缩出口通道在一交叉点处与所述进口通道分叉；和 (b) 与所述脱盐单元电化学接触的电极； 其中所述电极被配置成在接近所述稀释出口通道和所述浓缩出口通道与所述进口通 道分叉的所述交叉点处产生电场梯度。2. 根据权利要求1所述的装置，其中所述电极包括阳极。3. 根据权利要求1所述的装置，其中所述电极包括阴极。4. 根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述进口通道具有从约1000微米至约 1微米的宽度。5. 根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中所述进口通道具有从约500微米至约 10微米的宽度。6. 根据权利要求1-5中任一项所述的装置，其中所述进口通道具有从约150微米至约 25微米的宽度。7. 根据权利要求1-6中任一项所述的装置，其中所述进口通道具有约50微米或更小的 高度。8. 根据权利要求1-7中任一项所述的装置，其中所述进口通道具有从约50微米至约1 微米的高度。9. 根据权利要求1-8中任一项所述的装置，其中所述进口通道具有从约20微米至约1 微米的高度。10. 根据权利要求1-9中任一项所述的装置，其中所述稀释出口通道具有从约500微米 至约0.5微米的宽度。11. 根据权利要求1-10中任一项所述的装置，其中所述稀释出口通道具有从约80微米 至约10微米的宽度。12. 根据权利要求1-11中任一项所述的装置，其中所述稀释出口通道具有约50微米或 更小的高度。13. 根据权利要求1-12中任一项所述的装置，其中所述稀释出口通道具有从约50微米 至约1微米的高度。14. 根据权利要求1-13中任一项所述的装置，其中所述稀释出口通道具有从约20微米 至约1微米的高度。15. 根据权利要求1-14中任一项所述的装置，其中所述浓缩出口通道具有从约500微 米至约0.5微米的宽度。16. 根据权利要求1-15中任一项所述的装置，其中所述浓缩出口通道具有从约80微米 至约10微米的宽度。17. 根据权利要求1-16中任一项所述的装置，其中所述浓缩出口通道具有约50微米或 更小的高度。18. 根据权利要求1-17中任一项所述的装置，其中所述浓缩出口通道具有从约50微米 至约1微米的高度。19. 根据权利要求1-18中任一项所述的装置，其中所述浓缩出口通道具有从约20微米 至约1微米的高度。20. 根据权利要求1-19中任一项所述的装置，其中所述稀释出口通道的截面面积与所 述浓缩出口通道的截面面积之和大致等于所述进口通道的截面面积。21. 根据权利要求1-20中任一项所述的装置，其还包括流体地连接到所述进口通道的 流体进口、流体贮存器或其组合。22. 根据权利要求1-21中任一项所述的装置，其还包括流体地连接到所述稀释出口通 道的流体出口、流体贮存器或其组合。23. 根据权利要求1-22中任一项所述的装置，其还包括流体地连接到所述浓缩出口通 道的流体出口、流体贮存器或其组合。24. 根据权利要求1-23中任一项所述的装置，其中在所述交叉点处，在所述稀释出口 通道与所述浓缩出口通道之间形成的角度是60度或更小。25. 根据权利要求1-24中任一项所述的装置，其还包括与所述脱盐单元流体地隔离的 辅助通道。26. 根据权利要求25所述的装置，其中所述电极包括电化学地连接所述脱盐单元和所 述辅助通道的双性电极。27. 根据权利要求25或26所述的装置，其中所述双性电极包括与所述脱盐单元电化学 接触的阳极和与所述辅助通道电化学接触的阴极。28. 根据权利要求25或26所述的装置，其中所述双性电极包括与所述脱盐单元电化学 接触的阴极和与所述辅助通道电化学接触的阳极。29. 根据权利要求25-28中任一项所述的装置，其中所述辅助通道包括 第二脱盐单元，其包括流体地连接到稀释出口通道和浓缩出口通道的进口通道，其中 所述稀释出口通道和所述浓缩出口通道在一交叉点处与所述进口通道分叉；和与所述第二 脱盐单元电化学接触的电极； 其中所述电极被配置成在接近所述稀释出口通道和所述浓缩出口通道与所述进口通 道分叉的所述交叉点处产生电场梯度。30. 根据权利要求25-29中任一项所述的装置，其还包括被配置成横跨所述辅助通道 和所述脱盐单元施加偏压的电源。31. -种包括由权利要求1-30中任一项限定的多个装置的水净化系统。32. 根据权利要求31所述的系统，其中所述多个装置的进口通道流体地连接到进水 口，并且所述多个装置的稀释出口通道流体地连接到出水口。33. 根据权利要求31或32所述的系统，其中所述系统包括流体地串联的多个所述装 置。34. 根据权利要求31-33中任一项所述的系统，其中所述系统包括并行布置的多个所 述装置。35. -种减小水的含盐量的方法，其包括 (a) 提供经过由权利要求1-30中任一项限定的装置的进口通道或由权利要求31-34中 任一项限定的系统的进水口的流动的盐水； (b) 施加偏压以产生影响经过由权利要求1-30中任一项限定的装置的脱盐单元或由 权利要求31-34中任一项限定的系统的脱盐单元的离子流的电场梯度；和 (C)从由权利要求1-30中任一项限定的装置的稀释出口通道或由权利要求31-34中任 一项限定的系统的出水口收集水； 其中从由权利要求1-30中任一项限定的装置的稀释出口通道或由权利要求31-34中 任一项限定的系统的出水口收集的水与所述盐水相比具有更低的电导率。36. 根据权利要求35所述的方法，其中所述盐水包括海水。37. 根据权利要求35所述的方法，其中所述盐水包括微咸水。38. 根据权利要求35-37中任一项所述的方法，其中所述收集的水的电导率不超过所 述盐水的电导率的约80%。39. 根据权利要求35-38中任一项所述的方法，其中所述收集的水的电导率不超过所 述盐水的电导率的约50%。40. 根据权利要求35-39中任一项所述的方法，其中所述收集的水的电导率不超过所 述盐水的电导率的约10%。41. 根据权利要求35-40中任一项所述的方法，其中所述收集的水具有小于约0. lS/m 的电导率。42. 根据权利要求35-41中任一项所述的方法，其中所述收集的水具有从约0. 05S/m至 约0. 005S/m的电导率。43. 根据权利要求35-42中任一项所述的方法，其中所述收集的水具有从约0. 005S/m 至约5. 5x10 6S/m的电导率。44. 根据权利要求35-43中任一项所述的方法，其中所施加的偏压范围从约1伏至约 10伏。45. 根据权利要求35-44中任一项所述的方法，其中经过由权利要求1-30中任一项所 限定的装置的脱盐单元或由权利要求31-34中任一项所限定的系统的每个脱盐单元的盐 水的流率范围从约0. 01至约1微升每分钟。46. -种减小水的含盐量的方法，其包括 (a) 使盐水流经脱盐单元，所述脱盐单元包括流体地连接到稀释出口通道和浓缩出口 通道的进口通道，其中所述稀释出口通道和浓缩出口通道在一交叉点处与所述进口通道分 叉；和 (b) 在定位成接近所述交叉点的电极处执行法拉第反应以产生电场梯度； 其中所述电场梯度引导所述盐水中的离子远离所述稀释出口通道。47. 根据权利要求46所述的方法，其中所述法拉第反应包括氯化物到氯的氧化。
【专利摘要】公开了用于水的脱盐的微流体装置和系统。所述装置和系统可以包括电极，该电极被配置成在接近通过两个微流体通道与进口通道的分叉而形成的交叉点处产生电场梯度。在所施加的偏压下并且在存在压力驱动流动的盐水的情况下，所述电场梯度可以优选将盐水中的离子引导至所述分叉微流体通道中的一个中，而脱盐的水流入到第二分叉通道中。还提供了使用本文所描述的装置和系统来使水的含盐量下降的方法。
【IPC分类】C02F1/469
【公开号】CN105026318
【申请号】CN201380069984
【发明人】R·M·克鲁克斯, K·N·克努斯特, R·K·珀杜
【申请人】德克萨斯州大学系统董事会
【公开日】2015年11月4日
【申请日】2013年12月20日
【公告号】CA2894896A1, EP2935128A1, US20140183046, WO2014100581A1